(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を主成分とする芯材に、パラジウムを被覆したワイヤであって、
５０ａｔ％以上のパラジウムを含むパラジウム被覆層と、銅成分が５０ａｔ％以上であり、残部がパラジウム、炭素及び１２０質量ｐｐｍ以下のリンである芯材との間に、
５ａｔ％以上、４０ａｔ％以下の炭素を含み、残部が５０ａｔ％未満のパラジウム及び５０ａｔ％未満の銅である中間層が設けられていることを特徴とする半導体装置の接続用ワイヤ。
【請求項２】
前記中間層が、５ａｔ％以上、２０ａｔ％以下の炭素を含む層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の接続用ワイヤ。
【請求項３】
前記芯材にパラジウムめっきを施した後に、引き抜き伸線加工して製造されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の接続用ワイヤ。
【請求項４】
前記パラジウムの被覆前に、前記芯材を大気中で加熱処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の接続用ワイヤ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置の接続用ワイヤを用いた半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置の接続用ワイヤを用いた半導体装置用バンプワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いる銅ボンディングワイヤ、またはワイヤ先端にボールを形成し、電極パッドあるいは外部電極にスタッドバンプを形成する銅バンプワイヤなどに用いられる半導体装置の接続用ワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は１５〜７５μｍと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は金線をボンディングワイヤとして用いていた。
しかし、金線の組成は、９９ｍａｓｓ％から９９．９９ｍａｓｓ％が金であり、非常に高価であることから、金線使用量のＩＯピン数が非常に多いプラスチックボールグリッドアレイパッケージ（Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌｅｙ  Ｐａｃｋａｇｅ）や製品価格が安いメモリパッケージでは、より細い線径の金線を用いることで、金の使用量を減らし、そのコストを下げたいとの要望があった。
【０００３】
一方、金の電気比抵抗は約２．３μΩｃｍで低いものであるが、その線径を細くすることは、その電気抵抗の上昇を招くため、電流値を変化させたくない半導体パッケージでは細線化には限界があり、更にパッケージの高密度化における発熱の低減などの観点から、電気比抵抗が約１．７μΩｃｍと金より低く、安価な銅に代替したいとの要望があった。
このような状況から銅ボンディングワイヤが開発、製品化されてきている。
【０００４】
しかしながら、銅ボンディングワイヤを最新の高集積度半導体パッケージに適用するためには、シリコンチップ上の脆弱なアルミ電極パッドへのダメージを回避する初期銅ボールの軟らかさと、銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食を阻止するための銅組成、更には銅ボールとアルミニウム電極との接合界面に生成するアルミニウム銅合金層の酸化を阻止するための初期銅ボールの酸化、などの問題を解消しなければならなかった。
【０００５】
さらに、銅ボンディングワイヤは表面が酸化しやすいため、酸化によってステッチボンディングの接合性が低下するという問題があり、特許文献１には、高純度銅極細線の表面にパラジウム被膜を形成して銅表面の酸化を防止する方法が開示されている。
更に、特許文献２や特許文献３には、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤ表面のパラジウム被覆層と銅芯材との界面での剥離を防止するための方法が開示されており、被膜形成後に熱処理を施して銅パラジウム界面に濃度勾配を設けることが示されている。
又、最終線径まで伸線した後に銅芯材表面へパラジウム被膜を形成し、最終熱処理で拡散層を形成して界面の接合強度を高める方法も提案されている。
【０００６】
特許文献２では、メッキで被覆する際の被覆材と芯材との拡散を課題とし、芯材をワイヤ表面に露出させない薄膜被覆の状態を述べている。オージェ電子分光法を用いて深さ方向にスパッタしたときの時間をＳｉＯ２の厚みで換算して得られるパラジウムと銅の強度スペクトルから、深さによる両元素の存在比率すなわち原子分率が計算される。
この方法から、例えばパラジウムの存在比率が１０〜９０ａｔ％となる領域の厚み、いわゆる拡散層の厚みが算出されるが、拡散層の厚みに関わらずめっきが銅芯材表面から剥がれやすい場合があり、めっき後の伸線加工中に局部的にめっきが剥がれてパラジウム層の厚みが薄くなってしまったり、はがれたパラジウムが伸線ダイスとワイヤとの間に噛み込んで伸線キズを発生させたり、あるいは半導体素子組み立て中にボール形状の真球性が低いボールが発生したり、ボンディング後のボールが均一な色を呈せずに一部に銅色の強い、すなわちパラジウム濃度の低い部分が発生したりした。
【０００７】
特許文献２や特許文献３では、被覆層を形成した後に熱処理を施すことが好ましいとして、めっき後に熱処理を施し、銅をある程度パラジウム側に拡散させ、パラジウム層と銅との界面に濃度勾配を設けたり、金属間化合物層を形成したりする方法が提案されている。しかし、メッキ直後に銅がパラジウムへ拡散するほどの熱処理を行うと、パラジウム被覆膜の表面粗さが大きくなり、伸線中にパラジウム被覆膜が剥がれたり割れたりしやすくなることが観察された。
【０００８】
さらに、特許文献２あるいは特許文献３では、ワイヤの先端に形成されるボールの表面が一様にパラジウム色になりにくく、パラジウム色がボール全体の５０％を下回る場合にはボール接合性が不安定になったり、あるいはバンプワイヤとして使用する場合にはボール上面がパラジウムに十分覆われずに、銅色を呈する部分が発生して酸化し、形成されたバンプ上部の接合性が悪化してしまうためにバンプワイヤとして連続ボンディングができなくなるという不具合も発生した。
【０００９】
特許文献４のようにパラジウム層と銅芯材との間に金層を設けることによって、銅とパラジウムとの密着性を高める方法も提案されているが、ボールの真球度は高まるものの、ボール表面にパラジウムと金が濃縮して、パラジウムと金と銅との合金が形成されやすく、そのため合金化による加工硬化の上昇が著しく、ボールボンディング後のパッドダメージの発生がパラジウム層のみの場合に比べて高いという問題があり、その適用は、パッドが堅牢な素子に限られていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６２−９７３６０号公報
【特許文献２】特開２００６−１００７７７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１６９２９号公報
【特許文献４】特開２００４−００６７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
銅芯材をパラジウムで被覆するボンディングワイヤ、あるいはバンプワイヤの問題点は、ボール形成後にボール表面が合金化によって硬化してしまい、ボールボンディング時にパッドダメージが出来やすくなることと、ボール表面にパラジウムに覆われない部分が発生して酸化し、バンプ形成後のバンプ上へのスティッチ接合性が悪化することである。
【００１２】
本発明に係る課題であるボール表面の合金化による硬度上昇の防止と、ボール表面のパラジウム被膜形成性を向上させ、パッドダメージの発生しないボール、接合性の良いバンプを形成する半導体装置用ボンディングワイヤあるいはバンプワイヤの提供を目的とするものであり、パッドダメージのために発生する高温放置後プル試験におけるボールリフトの問題を解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題に鑑み、本発明の第１の発明は、半導体装置用のボンディングワイヤ、およびバンプワイヤに好適な銅を主成分とする芯材にパラジウムを被覆した半導体装置の接続用ワイヤであって、５０ａｔ％以上のパラジウムを含むパラジウム被覆層と、銅成分が５０ａｔ％以上である芯材との間に、５ａｔ％以上、４０ａｔ％以下の炭素を含む中間層を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第２の発明は、第１の発明における中間層が、５ａｔ％以上、２０ａｔ％以下の炭素を含むことを特徴とするものである。
さらに、本発明の第３の発明は、第１および第２の発明において、芯材へのめっきによるパラジウム被覆後に、引き抜き伸線加工を行うことを特徴とするものである。
また、本発明の第４の発明は、第１から第３の発明における芯材へのパラジウム被覆前に、芯材を大気中で加熱処理することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれかの発明による半導体装置の接続用ワイヤを用いた半導体装置用ボンディングワイヤである。
また、本発明の第６の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれかの発明による半導体装置の接続用ワイヤを用いた半導体装置用バンプワイヤである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のパラジウム被覆銅ボンディングワイヤは、その材料費が安価で、且つ製造が容易であり、従って製造コストも安価である。
また、このパラジウム被覆銅ボンディングワイヤの表面は、酸化しにくく、ボールボンディングにおける半導体素子の損傷も回避し、ボール真球性や接合性が高く、スティッチ接合性も良好な、幅広い半導体素子に使用することが可能となるボンディングワイヤである。さらに、半導体素子上に形成されたバンプとリードを結ぶバンプワイヤとしても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の半導体装置の接続用ワイヤのオージェ電子分光分析法による深さ方向でのパラジウム、銅、炭素の深さ方向の半定量値プロファイルを示す図である。
【図２】潰しボールの外観例を示す図で、（ａ）はボール上部がほぼパラジウムで覆われている例、（ｂ）は明らかに銅が露出している場合の例を示す図である。
【図３】接続用ワイヤの特性評価における「キャピラリ詰まり」の評価方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係るボンディングワイヤ、およびバンプワイヤは、銅を主成分とする芯材に、パラジウムを被覆したワイヤであって、オージェ電子分光法による深さ方向分析において、パラジウムが５０ａｔ％以上であるパラジウム被覆層と、銅が５０ａｔ％以上である芯材との間に、５ａｔ％以上４０ａｔ％以下の炭素を含む中間層を有するものである。
【００１９】
中間層における炭素量を、５ａｔ％以上とするのは、ワイヤ端にフォーミングガス中で形成されたボールの表面で、パラジウムと銅との合金を形成し難くするためであり、４０ａｔ％以下とするのはワイヤボンディング中にパラジウムがワイヤから剥離したり、窒素ガス中で形成されたボールの上部において、銅を露出しにくくするためである。
特に、炭素含有量が５ａｔ％以上、２０ａｔ％以下では、ボールボンディング後の１７５℃で１４４時間での高温放置試験プル破断試験における破断モードにおいて、ボールリフトの発生率がないという極めて優れた利点があり、最も高信頼性が要求される小ボール接合が不可欠なファインピッチＰＢＧＡへの適用が可能となる。
【００２０】
ところで、各層（芯材、パラジウム被覆層、中間層）の各成分、芯材では銅成分、パラジウム被覆層ではパラジウム成分、中間層では炭素成分の値は、オージェ電子分光法による深さ方向の分析により求めることが良く、以下に示す方法で行うことが簡易である。
先ず、試料線径よりも小さいビーム径で照射し、スパッタリングによって深さ方向でのワイドスキャンスペクトルから各検出元素の半定量値を算出し、続いてパラジウム、銅、炭素の半定量プロファイルを作成し、パラジウムが５０％以上である被覆層となる深さ位置と、銅が５０％以上の芯材となる深さ位置を同定し、その両者の間での炭素の半定量値の最大値を読み取る。
その分析例として図１に示すパラジウム、銅、炭素の深さ方向の半定量値プロファイルからは、この試料はパラジウム被覆層と芯材層との間の中間層の炭素量が、約１３ａｔ％から約１０ａｔ％程度であることがわかる。
【００２１】
次に、芯材にパラジウムを被覆する方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着に代表される物理蒸着方法、プラズマＣＶＤに代表される化学蒸着方法、めっき等が考えられるが、安価な設備で簡易に、かつワイヤ長手方向に連続的に大量生産する手法としては、真空設備が不要で、短時間で被膜を形成でき、かつプロセス中でパラジウムの重量バランス管理が安易で重量ロスも少ないめっき法が好ましい。
【００２２】
さらに、パラジウム被覆層の形成前に、芯材を大気中で加熱処理すると、ワイヤ全面に炭素量が５ａｔ％以上２０ａｔ％以下の層が形成されやすくなるため好ましい。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
表１に実施例の芯材の組成、パラジウム被覆厚み、製造条件を纏めて示す。
実施例１〜９、及び比較例１〜９は、Ｐｄ被膜を有する半導体用接続ワイヤで、純度９９．９９９９％の電気銅に、表１に示すＰ含有量になるようにリン銅地金を添加して連続熔解鋳造を行い、ダイスによる引き抜き伸線加工を加えて、線径０．２ｍｍまで縮径した後、線速１０ｍ／ｍｉｎで連続加熱処理（加熱処理１）を行った。さらに、めっき前処理となる脱脂、化学研摩、酸活性を施し、銅素地を露出させて膜厚０．１μｍのパラジウムストライクメッキを施し、次に、所定厚みのパラジウムメッキを行い、次いで加熱処理２を行い、ダイスによる引き抜き伸線加工を経て、直径２０μｍまで縮径し、伸び率が１０％となるように窒素ガス雰囲気中で線速５０ｍ／ｍｉｎで連続焼鈍した。なお、メッキ厚はメッキの時間を変えることで調整した。
【００２４】
実施例１〜３は、炭素量が５〜２０ａｔ％、実施例４〜９は炭素量が２１〜４０ａｔ％、比較例１〜６は、炭素量５ａｔ％未満、比較例７〜９は炭素量が４０ａｔ％を超えるものである。
この炭素量は、加熱処理１または加熱処理２の温度、および雰囲気ガスの種類で調整した。ここで、温度の低温とは再結晶温度未満の温度であり、中温とは再結晶温度近傍、高温とは結晶粒が粗大化する程度の高温を示すものである。加熱処理１では大気中、もしくは５％水素を含む窒素ガス（表１ではＦＧと示す）を用いた連続加熱処理を行い、加熱処理２では窒素ガスを用いて雰囲気焼鈍を行った。
【００２５】
【表１】
0005293728.tif 000002
【００２６】
作製した接続用ワイヤを「ボンディングワイヤ」、「バンプワイヤ」として用いるためにボンディングテストを実施して、その特性評価を行った。
ボンディングテストは、ワイヤボンダ（キューリック＆ソファ社製の「ＩＣｏｎｎ」）を使用し、ボール形成に用いたガスは、５％水素−９５％窒素のフォーミングガス（表２において、「ＦＧ」と表記）と、１００％窒素ガス（表２において、「窒素」と表記）の２種類を用いた。
【００２７】
なお、この使用したワイヤボンダは、ボール形成に用いるガスをボンディングサイトへも吹き付ける機能があり、顧客の使用条件と同条件での評価とするため、今回の特性評価でもガスのボンディングサイトへの吹き付けを採用して行った。
ボールボンディング評価用の半導体素子としてはパッドの材質が、Ａｌ−０．５％Ｃｕでアルミニウム膜厚が０．６μｍの市販のテストウエハを用い、リードフレームに３μｍ厚の銀めっき品を用いた。
【００２８】
シア強度およびプル強度は、デイジ社のボンドテスター５０００を用いて、ワイヤボンダのトランスデューサの振動方向であるＹ方向にボンディングされたワイヤのシア強度と、ループの中央にフックを掛けて引っ張って行うセンタープル強度で測定した。
Ｙ方向にはボールボンディング時にボールによるアルミニウム押出しが発生しやすく、接合性評価時の接合部破壊のきっかけになりやすい。また、Ｙ方向でのボンディング時にはワイヤが銀メッキ上で滑りやすくなるため、いずれの接合もＸ方向に比べて不十分な接合になりやすく、接合性の比較評価は、主にＹ方向にボンディングされたワイヤで行った。
【００２９】
接合性評価としては、線径の１．７倍の直径となるように形成したボールの水平方向から観察したボール形状、潰しボールの直径が線径の２倍となるようにボールボンディングされたＹ方向でのシア強度、さらにはＹ方向でのプル強度測定における破壊モードのうちパッドダメージが原因と判断されるアルミニウムパッドの下層からの金属膜の剥離、すなわちメタルピーリングの有無を測定し、表２に「０時間放置パッドダメージ」として評価した。
【００３０】
ボンディング直後には観察されないパッドダメージについては、近年海外の半導体装置組立メーカーが採用している１７５℃高温放置後のプル破断試験における破断モードであるボールリフトモードの発生状態の有無で評価した。
わずかでもパッドダメージがあれば高温放置後のプル試験ではボールリフトが発生するが、１００本中１本でもボールリフトモードが発生した場合を「×」、発生しない場合を「○」とした。
【００３１】
ボール形状については、ボール１００個を水平方向から観察し、ワイヤの軸中心とボールの軸中心が一致しない、いわゆる芯ずれ、あるいは鏃状ボールが発生したり、ボールの底部が尖ったりした形状の場合を「×」、いずれの異常も発生していない場合を「○」とした。
【００３２】
潰しボール外観については、ボンディングされたボール５０個を上方から観察し、銅の明らかな露出が１個でも見られた場合を「×」とした。
図２に、潰しボールの外観例を示す。図２（ａ）はボール上部がほぼパラジウムで覆われている例を示し、図２（ｂ）は明らかに銅が露出している場合の例を示すものである。
【００３３】
シア強度については、形成したボンディング部２４個についてプル破断試験を行い、シア強度を測定した。次に、Ｘ方向での平均潰れ径とＹ方向での平均潰れ径から計算される平均つぶれ径を、直径として計算される円の面積を接合面積とみなし、測定したシア強度（単位はｇｆ）を接合面積（単位は平方ｍｍ）で除した、単位面積あたり強度（単位はｋｇｆ／ｍｍ２）で判断し、９ｋｇｆ／ｍｍ２未満のボールが発生した場合を「×」、９以上１０．５ｋｇｆ／ｍｍ２未満のボールが発生した場合を「△」、全てのボールが１０．５ｋｇｆ／ｍｍ２以上となった場合を「○」とした。
【００３４】
キャピラリ詰まりについては、図３に示すように大気中でワイヤをキャピラリと７０度をなす方向へ強制的に毎分３ｍの速度で３分間引き出し、５０倍の顕微鏡でキャピラリ内に光を通し、透過光が円状の場合を「○」とし、パラジウム片によって一部が欠けた円状となった場合を「×」とした。なお、１はキャピラリ、２はワイヤ、３はキャピラリとワイヤのなす角度を示す。
【００３５】
パッドダメージについては、０時間放置、９６時間放置、１４４時間放置における１７５℃高温放置後のプル破断試験を行い、各２４個の破断モードを観察した。
０時間放置においては、「シリコン部の亀裂や破壊」、あるいは「メタルピーリングのモード」が発生した場合を「×」、ボールがアルミニウムパッドから剥がれてしまう「ボールリフトのモード」が発生した場合を「△」、すべてのモードが「スティッチ切れ」、あるいは「ワイヤ切れ」で「メタルピーリングのモード」や「ボールリフトのモード」の発生が無い場合を良好として「○」と記した。
また、９６時間および１４４時間放置においては、ボールがアルミニウムパッドから剥がれてしまう「ボールリフトのモード」が発生した場合を「×」、すべてのモードが「スティッチ切れ」、あるいは「ワイヤ切れ」で、「メタルピーリングのモード」や「ボールリフトのモード」の発生が無い場合を良好として「○」と記した。
表２に特性評価の結果をまとめて示す。
【００３６】
【表２】
0005293728.tif 000003
【００３７】
表１及び表２から明らかなように、本発明に係る実施例１から実施例９の接続用ワイヤは、９６時間の高温放置後のプル破断試験において、パッドダメージによるボールリフトモードの発生がない（表２では、「○」と表記。）という点で優れている。
また、実施例３と実施例９では、ボンディング直後のプル強度試験においてメタルピーリングを示しているものの、ボール形成時のガスをフォーミングガスではなく不活性の窒素ガス（表２の「ボール形成ガス」の項における「窒素」）に変えることによって、メタルピーリングを防止して使用することが可能で、高温放置後のボールリフトの発生解消を享受できる。
実施例１〜３（実施例３は「ボール形成ガスが、窒素の場合」は、１４４時間高温放置後もボールリフトの発生は、見られず（表２では「○」と表記。）、パッドダメージの無い極めて良好な接合状態であると推察され、今後の高密度実装に不可欠なＬｏｗ−ｋ誘電体を利用した脆弱なシリコンチップが搭載されるファインピッチＰＢＧＡへの利用が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１    キャピラリ
２    ワイヤ
３    キャピラリとワイヤのなす角度
【図１】
0005293728.tif 000004
【図３】
0005293728.tif 000005
【図２】
0005293728.tif 000006